雙極型巨磁阻磁傳感器偏置磁場的研究

雙極型巨磁阻磁傳感器偏置磁場的研究

0巨磁阻傳感頭的設計電網(wǎng)參數(shù)的正確、實時測量是電氣系統(tǒng)穩(wěn)定運行的先決條件。其中，電流測量對于電氣監(jiān)控和測量非常重要。此外,數(shù)字化電力系統(tǒng)也要求檢測裝置具備重量輕、體積小、智能化的特點。因此,研究新的電流測量手段以適應電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢具有重要的現(xiàn)實意義。20世紀60年代半導體集成電路技術(shù)和70年代光纖傳輸技術(shù)的發(fā)展,為研究新型的電流互感器——電子式電流互感器(ECT)提供了技術(shù)支持。其中,利用磁敏元件對磁場強度的測量實現(xiàn)間接檢測高壓電流是重要的研究方向。巨磁阻效應是近10年來材料領域的研究熱點之一,由于巨磁阻傳感器具有良好的性能,得到了廣泛的應用。巨磁阻效應是一種量子效應。當外磁場變化時,巨磁阻鐵磁層的磁矩發(fā)生不同程度的偏轉(zhuǎn),相應地產(chǎn)生不同程度的電子散射,最終導致電阻隨磁場變化。由安培環(huán)路定律,導線周圍某定點的磁場強度與導線中的電流成正比,因此可通過巨磁阻阻值隨磁場變化的特性間接測量電流。巨磁阻的輸出特性研究是巨磁阻電子式電流互感器傳感頭的設計依據(jù),目前主要集中在單極GMR傳感器的特性分析,未曾見到研究雙極線性GMR交、直流輸出特性的文獻。由于單極GMR的輸出電壓方向相同,為實現(xiàn)交流測量,得到雙極輸出效果,需加偏置磁場。這無疑增加了電流傳感頭設計的復雜程度和體積,降低了電流的測量范圍和靈敏度,也增加了后續(xù)電子電路的處理環(huán)節(jié)容易引進系統(tǒng)誤差,因此單極GMR用于交流測量并不是十分合適?；谏鲜鲈?本文較全面地研究了雙極線性巨磁阻傳感器的靜、動態(tài)輸出特性,并對實驗數(shù)據(jù)進行了分析和總結(jié),為優(yōu)化GMR電子式電流互感器傳感頭的設計提供了新的思路和實驗依據(jù)。1自由層磁阻傳感檢測實驗所用器件是國內(nèi)某公司生產(chǎn)的自旋閥巨磁阻傳感器。自旋閥的基本結(jié)構(gòu)為“自由層/隔離層/被釘扎層/釘扎層”的多層膜結(jié)構(gòu)。自由層為矯頑力小的鐵磁層,磁化方向受外磁場控制,可以自由翻轉(zhuǎn);隔離層為非磁性層;被釘扎層為矯頑力較大的鐵磁層;釘扎層為反鐵磁層,通過交換偏置作用,將被釘扎層的磁矩“釘扎”在某一方向。通過外磁場控制自由層的磁化方向,從而實現(xiàn)自由層和被釘扎層的磁化方向的“平行”和“反平行”。傳感器由4個巨磁阻元件首尾相接形成惠斯登橋結(jié)構(gòu),其中一對端子作為輸入端,另一對端子是輸出端,如圖1所示。R1和R4為一組自旋閥電阻,R2和R3為另一組自旋閥電阻,箭頭表示釘扎場(釘扎層的偏置磁場)的方向。當外磁場變化時,R1、R4和R2、R3的電阻變化趨勢相反,理想情況下4個電阻相等設為R(0磁場情況下),因此輸出電壓為Uout=Us(R+ΔR)R+ΔR+R?ΔR?Us(R?ΔR)R+ΔR+R?ΔR=UsΔRR。(1)Uout=Us(R+ΔR)R+ΔR+R-ΔR-Us(R-ΔR)R+ΔR+R-ΔR=UsΔRR。(1)式中,Us為GMR傳感器的工作電壓;ΔR為磁場作用下,GMR單條傳感器電阻變化量的絕對值。2巨磁阻測試系統(tǒng)為準確測試巨磁阻在交直流磁場中的輸出特性,自制了跑道磁體和調(diào)節(jié)巨磁阻位置的樣品架,如圖2、3所示。磁體中間部分可以產(chǎn)生近似的勻強磁場,樣品架頂端的調(diào)節(jié)桿通過同步帶帶動底端的樣品板旋轉(zhuǎn),調(diào)節(jié)巨磁阻芯片的最佳敏感位置。測試時將樣品架置于磁體的內(nèi)部空間,磁體接入高精度電流源(見圖4)。實驗所需的交直流電源采用程控電流源以驅(qū)動磁體獲得精確的穩(wěn)定勻強磁場。多數(shù)傳感器的輸出會受溫度影響,因此在巨磁阻同一平面的近處安置了Pt100溫度傳感器監(jiān)測溫度的變化。巨磁阻和Pt100的輸出信號分別連接到兩臺Keithley2000萬用表,計算機通過GPIB總線訪問Keithley2000所采集到的兩路電壓信號,并將數(shù)據(jù)和信號曲線實時顯示到屏幕上。3性能的測試和分析3.1巨磁阻電壓的測量圖5為所構(gòu)建的雙極線性GMR靜態(tài)特性測試平臺。磁體接入直流電源兩端,通過程序可以調(diào)節(jié)電流強度的大小和方向從而控制磁體中的磁感應強度和極性。巨磁阻電壓輸出為正時的磁場方向作為正參考方向,調(diào)節(jié)電流源使電流在±30A的范圍內(nèi)變化,變化量為±1A。每次電流改變后對電壓信號采樣10s,Keithley2000顯示巨磁阻輸出電壓在μs量級內(nèi)波動,將10s內(nèi)采樣得到的數(shù)據(jù)的算數(shù)平均值作為巨磁阻的實際輸出電壓。在室內(nèi)溫度為20°C時得到下面的測試分析結(jié)果。3.1.1磁體輸出電壓與電流的關(guān)系圖6描述了電流I從-30A緩慢變化到+30A時,巨磁阻的輸出電壓U隨電流變化的描點曲線。從圖中可以觀察到,在-10A～+10A的范圍內(nèi),巨磁阻的輸出電壓表現(xiàn)出良好的線性度,當電流的絕對值>15A時,輸出電壓逐漸趨向飽和。用高精度磁場計標定磁體內(nèi)的磁場磁感應強度B,電流每變化±1A,B變化±2.6mT,絕對誤差<0.05mT,可以認為磁體內(nèi)的電流和B是成正比關(guān)系的。以B為橫坐標,得到各電流下的磁感應強度B與巨磁阻輸出電壓U的關(guān)系如圖7的平滑曲線所示。截取-10A～+10A對應的磁場范圍為線性區(qū)間,利用最小二乘擬合法,得到直線擬合方程U=17.596B+4.4295,相關(guān)系數(shù)r=99.98%。3.1.2實驗曲線的測定按相同操作程序,將電流從+30A逐漸減小到-30A,得到圖8、9所示的實驗曲線。擬合方程U=17.693B+5.7361,相關(guān)系數(shù)r=99.97%。3.1.3傳感器的動態(tài)特性將上述正反循環(huán)過程進行比較,可以看到兩個過程的輸出特性曲線幾乎完全重合(見圖10)。分析計算GMR在-10A～+10A和+10A～-10A兩個相反過程中輸出的電壓信號實驗數(shù)據(jù),得到表1所示的靜態(tài)性能指標。對比正反過程可以得出:1)該雙極GMR傳感器的性能比較穩(wěn)定,正反過程幾乎具有相同的靈敏度和線性度。2)正反過程都存在一定的零點漂移,主要原因是受制造工藝的限制,使得橋臂巨磁阻元件很難做到完全對稱。3)有一定磁滯和重復性誤差,這是由于磁性材料存在不同程度的磁滯效應的緣故。如果能在材料的制造工藝上有所突破,將會降低磁滯效應,減小誤差。3.2溫度對實驗曲線的影響巨磁阻在不同溫度下的輸出特性如圖11所示。隨著溫度的升高,巨磁阻的飽和場強降低,線性區(qū)間變小,靈敏度降低。在-5A～+5A的范圍內(nèi),3條實驗曲線具有較好的重合度,但是隨著電流的增大,越接近飽和區(qū),3條實驗曲線的差別越明顯。經(jīng)過分析計算,零點溫度漂移1.65%,量程溫度漂移8.12%。溫度漂移的原因是隨著溫度的升高,巨磁阻元件阻值減小和磁阻變化率減小的緣故。因此在實際的應用中,要對溫度變化產(chǎn)生的影響采取適當?shù)挠布蜍浖a償,可以采用多傳感器信息融合,神經(jīng)網(wǎng)絡等技術(shù)降低溫度的影響。3.3動態(tài)測試圖12為所構(gòu)建的雙極線性GMR動態(tài)特性測試平臺,主要由頻率可調(diào)的交流電源和數(shù)據(jù)采集裝置構(gòu)成。3.3.1線性度+10a標準圖13是將電流有效值從0增加到15A時,每次增長0.5A的工頻特性曲線。當<10A時,具有良好的線性度,>10A時靈敏度緩慢降低。0～10A對應的磁場、電壓輸出如圖14所示。擬合直線方程U=0.0178B+0.004,線性度Ef=1.22%,相關(guān)系數(shù)r=99.96%。和靜態(tài)特性對照,兩者的線性度和靈敏度比較接近。這說明基于雙極線性GMR傳感器的電子式電流互感器可以實現(xiàn)交、直流測量,而不是單一的直流或交流測量。3.3.2諧波電流對電子式電流傳感器測試結(jié)果的影響我國輸配電網(wǎng)的額定頻率為50Hz,由于使用特殊裝置(非線性負荷,柔性交流輸電系統(tǒng),軌道交通),電網(wǎng)上會產(chǎn)生諧波,因此電子式電流互感器應具備一定的諧波檢測能力。由于常規(guī)測量和繼電保護用電流互感器的諧波要求不超過30次序列以及實驗中交流電源的負載能力有限,只研究了巨磁阻從50～1600Hz時的幅頻特性。為精確研究GMR的幅頻特性,磁體輸入電流有效值為1A,頻率f從50Hz開始每次增加10Hz,增至350Hz時發(fā)現(xiàn)GMR輸出電壓有效值無任何變化;從350Hz開始,每次增加50Hz,加到1600Hz時巨磁阻的輸出電壓仍保持不變,如圖15所示。這說明對于幅值相等的各次諧波電流甚至是非諧波正弦電流,只要沒有使得巨磁阻飽和,巨磁阻輸出的電壓信號幅值也相等,并不會因為諧波頻率的改變而改變,即具有恒定的幅頻特性。因此在實際電流測量中,可以認為諧波電流并不會使基于巨磁阻式的電子式電流互感器產(chǎn)生比值誤差。此外,頻率特性只研究了巨磁阻的幅頻特性,實際的電子式電流互感器除了幅值誤差還有相角誤差,有必要對巨磁阻的相頻特性做進一步的研究。4gmr測量和測量設備展望實驗測